自然保护区属暖温带大陆季风气候区，四季分明，年平均气温13.0℃，年降雨量518.9mm。衡水湖湿地和鸟类自然保护区处于太行山麓平原向滨海平原过渡区，为鸟类南北迁徙的必经之地。其独特的地理位置和优良的水质资源孕育了丰富的物种多样性，有着很高的生态价值和经济价值。其主要保护对象，是作为水禽栖息地的以湖区为主体的湿地生态系统。

在衡水湖栖息的鸟类多达317种，其中国家Ⅰ级保护的鸟类有：

水中大熊猫青头潜鸭

丹顶鹤

白鹤

黑鹳

东方白鹳

大鸨

金雕

白肩雕等7种

国家Ⅱ级保护的鸟类有：大天鹅

小天鹅

灰鹤

白枕鹤

蓑羽鹤

角鸊鷉

斑嘴鹈鹕

黄嘴白鹭

鸮

隼

鹰

白琵鹭

鸳鸯

彩鹮等珍贵鸟类49种

春、夏、秋季在湖区栖息的须浮鸥

草鹭

白鹭

夜鹭（数量多）

苍鹭（数量多）

震旦鸦雀（数量比较多）

水雉（数量少）

彩鹬

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雁

野鸭（数量比较多）

大苇莺（数量多）

灰椋鸟

等每种都有数万只。湖内人鸟共生，更增添了几分诗情画意。在冀州区冀州镇北关村和桃城区河沿镇的后韩村的南北堤附近的苇塘中以及滏阳新河一带能经常看到灰鹤翱翔的壮丽景观，在冀州区的后赵村东和顺民庄村东，更能观察到大批水禽。